快速成型技术在模具制造中的应用分析

摘要:随着社会经济的飞速发展,模具制造在不断改善产品性能与质量的前提下应快速地适应市场的需求。快速模具技术是以快速成型技术为基础,将传统制模技术与快速成型技术的相结合,使模具的设计和制造周期缩短,具有广阔的发展和应用前景。文章探讨了快速成型技术的原理与工艺过程,快速成型技术在模具制造中的应用,以及计算机辅助设计快速成型模具制造的措施。

关键词:快速成型技术;模具制造;计算机辅助设计;原理与工艺过程

中图分类号:TG316文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)06-0030-02

众所周知,产品的生产离不开模具,尤其是注塑、铸造、锻压等加工艺。但是模具的开发、制作时间以及成本,往往是整个产品开发时间与成本的主要部分,既需要时间,又需要投入大量的资金。同时当前市场状况发生了巨大变化,顾客需求越来越多样化,产品的更新周期越来越短,生产由少品种大批量转化为多品种小批量,市场需要促使制造商不得不加快产品的研发周期。快速成型技术被认为是21世纪制造技术的一次重大突破,对制造业的影响可与数控技术相媲美。目前,越来越多的快速成型技术和机器投入到了实际应用中,其独特的制造原理和不可比拟的优越性缩短了制造商和客户需求距离,满足了市场变化的需要。应用领域也越来越广,如在模具制造、新产品的验证、艺术品制造与仿制、玩具业等。

一、快速成型技术的原理与工艺过程

(一)快速成型技术的原理

快速成型技术是将计算机技术、CAD、机械工程、数控技术、检测技术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术。近年来,该技术在国内外得到了迅速的发展,并将成为21世纪制造业的重要组成部分。

其原理是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理,得到一系列的二维截面轮廓,然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料,得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。RP技术摒弃了传统机械加工的材料“去除”加工法,而采用全新的材料增长加工法,将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合,它从成型原理上提出了一个全新的思维模式,是一个从离散到堆积的过程。

(二)快速成型工艺过程

在快速成型工艺过程中,由于系统是由三维CAD模型直接驱动,因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件直接构建,也可以将现有产品的二维图样进行转换而形成三维模型,或对产品实体进行激光扫描、断层扫描,得到点云数据,然后利用反求工程的方法来构造三维模型。其次是三维模型的近似处理,由于产品往往有一些不规则的自由曲面,加工前要对模型进行近似的处理,以方便后续的数据处理工作。由于格式文件格式简单、实用,目前已经成为快速成型领域的标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型,每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述,三角形的大小可以根据精度要求进行选择。文件有二进制码和ASCn码两种输出形式,二进制码输出形式所占的空间比ASCn码输出形式的文件所占用的空间小得多,但ASCn码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL文件的功能。后是三维模型的切片处理,根据被加工模型的特征选择合适的加工方向,在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型,以便提取截面的轮廓信息。间隔一般常用0.1mm。间隔越小,成型精度越高,但成型时间也越长,效率就越低,反之则精度越低,但效率高。最后成型加工与零件的后处理,根据切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,相应的成型头按各截面轮廓信息做扫描运动,在工作台上一层一层地堆积材料,然后将各层相粘结,最终得到原型产品。成型零件的后处理是从成型系统里取出成型件,进行打磨、抛光、涂挂,或放在高温炉中进行后烧结,进一步提高其强度。

二、快速成型技术在模具制造中的应用分析

快速模具制造方法有两种:一种为间接制模,间接制模是以快速原型为模型采用某种工艺制造模具;另一种为直接制模,直接制模是在快速原型制造设备上直接制造模具,即根据制品形状设计了模具的三维实体模型或将零件模型转换为型腔模型,选择专用材料,利用快速原型技术制造模具。在快速制模技术中,制造出尺寸精度比较高的快速原型是前提,但大部分快速成型得到的原型因材质和成型工艺的限制,一般不采取直接制模的方法。用快速原型制母模,浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料,可构成软模具。

(一)硅橡胶制模

硅橡胶制模制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性,能够制作结构复杂、花纹精细、模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件,制作周期短,制件质量高,因而备受关注。由于零件的形状尺寸不同,对硅橡胶模具的强度大小要求也不一样,因而制模方法也有所不同。硅橡胶模具的特点:硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率。用该材料制造弹性模具简单易行,无需特殊的技术及设备,只需数小时在室温下即可制成。硅橡胶模具能经受重复使用和粗劣操作,能保持制件原型和批量生产产品的精密公差,并能直接加工出形状复杂的零件,免去铣削和打磨加工等工序,而且脱模十分容易,大大缩短产品的试制周期,同时模具修改也很方便。此外,由于硅橡胶模具具有很好的弹性,对凸凹部分浇注成型后也可直接取出,这是它的独特之处。

(二)电弧喷涂快速制模

以原型为样模,将熔点的熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到样模表面,形成模具型腔表面,背衬充填复合材料,用填充铝的环氧树脂或硅橡胶支撑,将壳与原型分离,得到精密的模具,并加入浇注系统和冷却系统等,连同模架构成注射模具。其特点是工艺简单、周期短;型腔及其表面精细花纹一次同时形成;省去了传统加工模具中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤,不需要机加工;模具尺寸精度高,缩短了周期,节约了成本。

(三)树脂型复合模具制模

这种方法是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料,然后以原型为基准浇注模具。工艺过程为:制作原型-表面处理-表面设计、制作模框-选择、设计分型面-在原型表面、分型面刷脱模剂,胶衣树脂-浇注凹模。当凹模制造完成后,倒置,同样需要在原型表面及分型面上均匀涂脱模剂和胶衣树脂,分开模具。在常温下浇注的模具,一般在1～2天基本固化定型,即能分模。与传统注塑模相比,成本只有传统方法的几分之一,生产周期大大减少。模具寿命不及钢模,但比硅胶模高。

(四)硅胶-陶瓷型橡胶模制模

其通过涂层转移获得精密陶瓷型,浇铸铸铝或黑色金属。快速精密铸造模具采用快速精密铸造的方式得到快速模具有许多方法。它利用立体光刻工艺获得零件膜具的半中空原型,然后在原型的外表面挂浆,得到有一定厚度和粒度的陶瓷层,它紧紧地包裹在原型的外面,再放入高温炉中烧掉半中空原型。得到中空的陶瓷型壳,即可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还要进行必要的机加工,使得其表面质量和尺寸精度达到要求。该方法的优点是用原型代替原来精密铸造中的蜡型,大大提高铸造原型的精度,大大加快制造速度。

三、计算机辅助设计快速成型模具制造的措施

快速模具的制作需要前端的CAD数字模型来支持,也就是说,所有的快速成型技术都是由CAD数字模型来直接驱动的。来源于CAD的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式,而且在原模型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。因此,在快速成型技术实施之前以及原型制作过程中需要进行大量的数据准备工作,数据的充分准备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。

(一)三维数据源

快速成型制造与传统的去除材料加工技术不同,它是通过逐层增加材料来制造零件的,几乎所有的快速成型工艺流程都可表示为图1。快速成型的数据来源十分广泛,既可以直接从三维数据获得加工路径,也可以经三维数据网格化得到STL模型获得加工路径,快速成型的数据来源大体可分为:三维CAD模型、逆向工程数据、数学几何数据、医学/体素数据、分层数据。本文中涉及到的零件的三维数据来源主要是通过三维CAD模型获得,三维CAD模型是一种最重要也是应用最为广泛的数据来源。由三维造型软件生成产品的三维CAD曲面模型或实体模型,然后对实体模型或表面模型直接分层得到精确的截面轮廓。然而最常用的还是将CAD模型先转化为三角网格模型,然后分层得到加工路径。

(二)STL模型处理

STL文件是通过三维模型表面的三角网格化获得的,这种三角网格化算法经常在有限元分析中使用。三角形的网格化就是用小三角面片去逼近自由曲面,逼近的精度通常由曲面到三角形面的距离误差或者是曲面到三角形边的弦高差控制。所以误差越小,曲面越不规则,所需要的三角形面片的数目就越多,STL 文件就越大。因此必须根据零件加工的需要设定误差。在得到零件的STL模型之后,经过分层处理才能将数据输入到设备中。因此分层处理的效率、速度以及所得到的界面轮廓的精度对于快速成型制造来说是相当重要的。在分层处理之前,一般都要选择一个优化的分层方向,因为优化的方向对分层处理的结果有很重要的影响。

总之,快速模具技术是在快速成型技术的基础上发展的一种新型模具制造技术,不过还需要不断的完善和研究。

参考文献

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[4]马承银,郑文姬,胡慧萍.水性环氧树脂的制备和固化机理的探讨[J].高分子通报,2006,(1).

作者简介:赵勇龙,女,重庆市长麒物资回收有限责任公司工程师,研究方向:模具设计及制造、CAD设计、CAM制作、废旧塑料再利用。